3.1.3 Электродинамическая стойкость аппаратов
Механическая прочность элементов конструкции электрических аппаратов зависит от значения ЭДУ, его направления, длительности воздействия и крутизны нарастания.
Расчет электродинамической стойкости проводится для проводников средней фазы, на которые действуют наибольшие значения ЭДУ. Расчет ЭДУ ведется по ударному току КЗ.
Ударный ток короткого замыкания:
где Kуд – ударный коэффициент, о.е.
Ударный коэффициент:
где tуд – время от начала короткого замыкания до появления ударного тока, с.
Время от начала короткого замыкания до появления ударного тока:
Обычно в паспортных данных электрического аппарата указывается ток электродинамической стойкости. Электрический аппарат нужно выбирать так, чтобы:
3.2 Нагрев и охлаждение электрических аппаратов
3.2.1 В токоведущих, изолирующих и конструктивных деталях электрических аппаратов возникают потери электрической энергии в виде тепла. В общем случае тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично рассеивается в окружающей среде.
При повышении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их механической прочности. Например, срок службы изоляции при возрастании длительной температуры всего лишь на 8 °С выше номинальной сокращается в 2 раза. При увеличении температуры от 100 до 250 °С механическая прочность меди снижается на 40%. Эти процессы осложняются тем, что при КЗ, когда температура может достигать 200-300 °С, на токоведуще детали воздействуют большие электродинамические усилия. Устойчивая работа контактных соединений также сильно зависит от температуры.
Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность. Поэтому во всех возможных режимах работы температура их не должна превосходить таких значений, при которых обеспечивается заданная длительность работы аппарата.
Классы нагревостойкости изоляции устанавливаются ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84) «Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация»
Обозначение класса нагревостойкости |
Температура, °С |
Y |
90 |
А |
105 |
Е |
120 |
В |
130 |
F |
155 |
Н |
180 |
200 |
200 |
220 |
220 |
250 |
250 |
3.2.2 Активные потери энергии в электрических аппаратах
В аппаратах постоянного тока нагрев происходит только за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи. Энергия выделяемая в проводнике:
где kдоб – коэффициент добавочных потерь, вызванных поверхностным эффектом и эффектом близости.
Активное сопротивление проводника различно при постоянном и переменном токе из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.
Переменный ток, текущий по проводнику, создает переменное магнитное поле, которое, пересекая тело проводника, наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает вихревые токи, которые геометрически суммируются с основным переменным током. В результате наибольшая плотность тока наблюдается на поверхности проводника (поверхностный эффект). По мере перемещения к центру плотность тока быстро падает. Чем больше частота тока и меньше удельное сопротивление проводника, тем сильнее проявляется поверхностный эффект. Из-за наличия поверхностного эффекта при большом сечении проводника применяются проводники трубчатого или коробчатого сечения.
Магнитное поле соседнего проводника пересекает данный проводник и наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает ток в теле проводника, который геометрически складывается с основным током (эффект близости). В результате ток по сечению распределяется неравномерно. Как и поверхностный эффект, эффект близости усиливается с увеличением частоты тока и электрической проводимости материала.
При переменном токе появляются активные потери в ферромагнитных конструкционных деталях, расположенных в переменном магнитном поле. Переменный магнитный поток пересекает ферромагнитные детали, и в них наводятся вихревые токи. Вихревые токи могут нагревать эти детали до высоких температур и создавать дополнительные потери энергии.
Кроме потерь от вихревых токов возникают дополнительные потери на перемагничивание ферромагнитного материала за счет гистерезиса.
В аппаратах переменного тока высокого напряжения помимо потерь в проводниковых и ферромагнитных материалах необходимо учитывать потери в изоляции проводов и изолирующих деталях. Изоляция аппарата нагревается за счет как этих потерь, так и потерь в токоведущей цепи.